三羧酸循环

生物体有氧氧化的主要代谢途径,是维持生命活动的最基本供能体系。是糖有氧氧化必经之路,也是脂肪和氨基酸的主要代谢途径。大多数需氧生物(包括哺乳动物)体内的营养物质糖、脂肪、蛋白质,经过初步降解生成葡萄糖、脂肪酸、甘油及氨基酸,它们再进一步裂解成共同的中间产物二碳化合物,其活性形式为乙酰辅酶A(乙酰CoA)。此二碳化合物最后经过一系列酶促反应的循环机构被彻底氧化成CO2和水,并放出大量可供利用的能量(ATP)(图1)。这一循环式的催化机构中含有几种三羧酸(柠檬酸、顺乌头酸及异柠檬酸),故称三羧酸循环,或称柠檬酸循环。因此循环系在1937年由H.A.克雷布斯首先阐明,故也称为克雷布斯循环。

图

三羧酸循环不仅是生物体产生 CO2和能量的主要机构,也是为许多物质的生物合成提供原料和互相代谢转变的连络机构。

化学途径

三羧酸循环共经8步反应(图2)。

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(1)活化的二碳物质(乙酰 CoA)在柠檬酸合成酶的催化下,先“借用”一分子四碳物质(草酰乙酸)缩合成六碳物质柠檬酸。

(2)柠檬酸再依次酶促转变成“顺乌头酸及异柠檬酸”。

(3)六碳的异柠檬酸经异柠檬酸脱氢酶的催化脱氢、脱 CO2成五碳的α-酮戊二酸。

(4)α-酮戊二酸经脱氢、脱CO2成四碳的琥珀酰CoA。

(5)琥珀酰CoA脱CoA生成琥珀酸,其能量为GTP所保留。

(6)琥珀酸脱氢成延胡索酸。

(7)延胡索酸加水成苹果酸。

(8)苹果酸脱氢又回复成草酰乙酸。总的经一次循环,代谢消耗掉一分子二碳物质(乙酰基),生成2分子CO2和H2O,脱掉4对氢原子。循环开始时“借用”的一分子草酰乙酸,在循环终了时仍再生复原,又可与第二个分子乙酰基缩合,以进入第二次循环。周而复始的循环、消耗代谢掉的只是乙酰基。因此三羧酸循环是最终氧化分解二碳物质(乙酰基)的酶促化学机构。

能量生成

三羧酸循环中有四步脱氢反应,脱下的氢经呼吸链传递与O2结合成水,在此过程中生成的能量可被氧化磷酸化保留在ATP中。每克分子乙酰CoA经三羧酸循环和氧化磷酸化可生成12克分子ATP。1克分子葡萄糖在有氧氧化情况下,可生成2克分子乙酰CoA,彻底氧化成CO2和H2O,共可释出总能量686千卡,保留生成38克分子ATP;其中由三羧酸循环生成24克分子ATP。而在无氧情况下,1克分子葡萄糖经无氧酵解生成乳酸,释出的总能量仅57千卡,保留为ATP者仅2克分子,仅为有氧氧化过程产生能量的十余分之一。杀鼠药氟代乙酸中毒致死的原因,就是氟代乙酸能与乙酰CoA竞争,它容易与草酰乙酸相结合,生成氟代柠檬酸,导致三羧酸循环的中断。肝昏迷的成因之一是体内堆积的过多的氨与三羧酸循环中的α-酮二酸结合以生成谷氨酰胺。α-酮戊二酸大量消耗、导致三羧酸循环的运转受碍,脑的能量供应匮乏,而致昏迷。

特点

三羧酸循环的特点可归纳为以下几点。

(1)在生理情况下,三羧酸循环中的酶促反应有三步(图2中的①、③、④)基本上不可逆,因而整个循环通常按单向进行。

(2)在组织内,三羧酸循环中各种成分的含量均极微(<1μmol/克新鲜组织),因此它是一个催化性的机构,原则上不会因循环而消亡。但若因种种原因循环中的某些成员转变成其他物质而被消耗时,就必须不断补充。如丙酮酸可分别经丙酮酸羧化酶及苹果酸酶以生成草酰乙酸及苹果酸,后二者均为三羧酸循环中的成员。

(3)三羧酸循环中的酶均位于线粒体中,与呼吸链及氧化磷酸化的酶体系紧密偶联,这保证了线粒体供能系统的稳定性及高效性。三羧酸循环即在线粒体内进行。

(4)三羧酸循环中的酶促反应受到多种因素的调节,以保证其适应于生理状态的需要。例如当组织中ADP/ATP、NAD+(氧化型辅酶Ⅰ)/NADH(还原型辅酶Ⅰ)或COASH/琥珀酰CoA的比值增高,表明组织中能量趋于匮乏状态。上述物质比例的增高可通过变构效应促进循环中某些酶的活性。反之,它们的比值降低,则反映了组织中能量的富裕,可通过变构效应抑制循环中某些酶的活性,使循环的反应减缓。

(5)以放射性核素14C-乙酰基作示踪实验证明,在每次循环中,参入柠檬酸分子中的乙酰基的14C,实际上并没有被脱落成14CO2,而是构成了循环中最后形成的草酰乙酸的部分分子骨架。至于出现在脱落下来的二分子CO2中的C,实系来源于原来草酰乙酸部分中的2个C。换言之,当乙酰基与草酰乙酸缩合后,系从草酰乙酸部分脱去2个C。但从C原子的净数量考虑,相当于乙酰基上2个C原子被脱落成CO2

生理意义

可概括为五点。

(1)通过三羧酸循环生成的CO2,是哺乳动物呼出CO2的主要来源。

(2)通过三羧酸循环脱下的大量氢,可经呼吸链的传递及氧化磷酸化以生成大量可供生物体利用的能量,故维持三羧酸循环的正常运转是需氧生物生命攸关的重要生物化学过程。

(3)凡是能转变成三羧酸循环中任一成员的代谢物,均可被彻底氧化成CO2及H2O。如天门冬氨酸及谷氨酸脱去氨后,分别生成草酰乙酸及α-酮戊二酸而进入三羧酸循环。因此三羧酸循环是体内营养性物质最终氧化分解的共同途径。

(4)三羧酸循环中的某些中间成员,可为合成某些生物活性物质提供原料,如琥珀酰CoA为合成血红素的原料;草酰乙酸、丙酮酸及 α-酮戊二酸经氨基化后分别生成的天门冬氨酸,丙氨酸及谷氨酸,为合成蛋白质和核酸的原料。葡萄糖通过磷酸丙糖可转变为α-磷酸甘油,通过乙酰辅酶A可合成脂肪酸及脂肪酰辅酶A,再合成脂肪,某些非糖物质也可通过此途径转变为糖(糖的异生途径)。可见三羧酸循环是体内物质代谢相互转变的联络机构。

(5)三羧酸循环中的某些组分可对其他代谢途径起直接或间接的调控制约作用。如柠檬酸的积聚可通过变构效应抑制葡萄糖酯解的关键酶──磷酸果糖激酶,使葡萄糖分解代谢减缓。相反,某些其他代谢产物也可对三羧酸循环起调节控制作用。故通过三羧酸循环体内一些代谢途径间可互相协调,互相制约。